(57)【要約】【課題】  従来の発光装置に対して、よりエネルギー変換効率が高い、優れた発光効率を有する発光装置を提供する。【解決手段】  本発明に係る発光装置１においては、封止樹脂１５に分散されたりん光材料１６ＬＥＤチップ１１から発せられた発光光を吸収して励起する。りん光材料１６がエネルギーを放出する際にＬＥＤチップ１１の発光光とは異なる波長の光をりん光として発することにより、所望の色の光を効率よく発することができる。【選択図】        図１
2006245033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップを搭載する基板と、前記ＬＥＤチップを封止する封止樹脂を有し、
前記封止樹脂は、前記ＬＥＤチップから発せられる発光光を吸収しりん光を発するりん光材料を含むことを特徴とする発光装置。
【請求項２】
前記りん光材料は、異なる波長のりん光を発する複数のりん光材料からなることを特徴とする請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記封止樹脂は、前記りん光材料と共に、前記ＬＥＤチップからの発光光を吸収し前記りん光材料の発するりん光の波長とは異なる波長の蛍光を発する蛍光材料を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記封止樹脂は、前記基板上に実装された前記ＬＥＤチップを封止する請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項５】
前記封止樹脂は、リード部に実装された前記ＬＥＤチップを封止する請求項１から３のいずれか１項に記載の発光装置。
【請求項６】
前記りん光材料は、Ｉｒ金属錯体からなる請求項１から５のいずれか１項に記載の発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤを光源とする発光装置に関し、特に、エネルギー変換効率が高く、光度向上がなされた発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＬＥＤを用いた発光装置の開発が進み、従来の光源であった白熱灯や蛍光灯に替わって、様々な用途に用いられている。例えば、道路交通用の信号機等においても、従来は白熱灯等の上に赤、黄、青のカラーレンズを被せていたものが、赤、黄、青のそれぞれの色を発光するＬＥＤに置き換えられている。
【０００３】
これは、ＬＥＤを用いたものの方が、明るく視認性に優れ、且つ消費電力が低いことにある。これは、ＬＥＤが白熱灯や蛍光灯と比べて、発光効率に優れているからに他ならない。
【０００４】
このような理由により、ＬＥＤには、様々な場面での用途が期待されており、より利用価値の高い発光装置が開発されてきている。
【０００５】
ＬＥＤから発せられる発光光は、単波長の光であるため、その目的に合った色の光を発する際にはそのままの利用が可能であるが、目的の波長の光を発するＬＥＤが開発されていない場合や、白色光等の複数の波長の光を複合させた色の光を発するためには、ＬＥＤをそのまま利用することはできない。そのため、封止樹脂中に蛍光材を分散させるという方法が利用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
図４は、蛍光を発するメカニズムを示すものである。図４（ａ）は、基底状態（左側）、励起一重項状態（右側）のそれぞれの状態における電子配置を示している。
【０００７】
通常、分子中においては、各原子の電子軌道には１対の電子によって満たされている（基底状態）。このとき、１対の電子はそれぞれ異なるスピン方向を有するものからなる。
【０００８】
この分子に、光エネルギー等のエネルギーが外部から加えられると、そのエネルギーにより分子中の電子のポテンシャルエネルギーが上がり、よりエネルギー準位の高い電子軌道へと遷移する。このとき、遷移した電子のスピン方向は基底状態における場合から変化しない（励起一重項）。
【０００９】
図４（ｂ）は、上述の基底状態および励起一重項の、それぞれにおけるポテンシャルエネルギーの高さを比較する図である。当然に励起一重項は基底状態よりも高いエネルギーを有する。
【００１０】
基底状態において、電子が光エネルギーを吸収すると、励起一重項へと遷移する。励起一重項においてエネルギーを放出すると、再びエネルギー準位の低い基底状態ヘと移行する。
【００１１】
励起一重項から基底状態へ移行する際にはエネルギーを放出する。一部は光エネルギーとして放出され、一部は熱エネルギーとして放出される。光エネルギーとして放出されるものについては、その分子特有の波長を有する光として放出されるので、吸収した光とは異なる波長の光を放出し得る。これが蛍光である。
【００１２】
封止樹脂中に蛍光材料を分散させた場合、ＬＥＤチップより発せられた発光光が蛍光材料に吸収され、吸収した光の波長とは異なる波長の光を放出する。ＬＥＤチップからの発光光の全てが蛍光に変換されることにより、その波長の光を発する発光装置として、利用可能となる。
【特許文献１】特開２００４−１６５６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、ＬＥＤを用いた発光装置が、白熱灯や蛍光灯に比べて発光効率が高いとはいっても、それは相対的なものに過ぎず、上記のような蛍光材料を用いたＬＥＤにおいては決して十分なものとはいえない。蛍光を発するメカニズムにおいては、多くは熱エネルギーとして放出されてしまい、励起エネルギーのわずか２５％程度しか蛍光光に変換されていない。そのため、エネルギー変換効率の観点からすれば、従来の発光装置も満足のいくものではない。
【００１４】
例えば、従来の緑色ＬＥＤ発光装置は、ＧａＮ発光層中のＩｎ濃度を変化させることにより緑色光を得ていたが、上記理由により、青色ＬＥＤ発光装置に比べ光度が劣っており、光度向上が望まれていた。
【００１５】
従って、本発明の目的は、従来の発光装置に対して、よりエネルギー変換効率が高い、優れた発光効率を有する発光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、上記の目的を達成するため、ＬＥＤチップと、前記ＬＥＤチップを搭載する基板と、前記ＬＥＤチップを封止する封止樹脂を有し、前記封止樹脂は、前記ＬＥＤチップから発せられる発光光を吸収しりん光を発するりん光材料を含むことを特徴とする発光装置を提供する。
【００１７】
封止樹脂中に、りん光材料を分散させることにより、蛍光材料を分散させた場合よりも多くの光を放出することができるので発光効率が向上する。
【００１８】
りん光材料は、異なる波長のりん光を発する複数のりん光材料からなるものであってもよい。
【００１９】
複数のりん光材料を用いることにより、複数の波長を組み合わせた所望の色の複合光を発することができる。
【００２０】
封止樹脂中には、りん光材料以外に、ＬＥＤチップからの発光光を吸収し前記りん光材料の発するりん光の波長とは異なる波長の蛍光を発する蛍光材料を含むものであってもよい。
【００２１】
りん光材料と蛍光材料とを組み合わせて用いることにより、りん光材料のみを使用した場合には発することのできない色の複合光を発することもできる。
【００２２】
封止樹脂は、前記基板上に実装された前記ＬＥＤチップを封止するものであっても、或いはリード部に実装された前記ＬＥＤチップを封止するものであってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の発光装置によれば、蛍光材料を利用した発光装置よりも発光効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に係る発光装置について、図面を参照しつつ説明する。
【００２５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る発光装置についての、第１の実施の形態の構成を示す図である。図１においては、発光装置１は、ＬＥＤチップ１１と、基板１２と、ワイヤ１３と、ケース１４と、封止樹脂１５と、りん光材料１６とからなる。
【００２６】
ＬＥＤチップ１１は、基板１２の上に実装される。このときＬＥＤチップ１１と基板１２とが直接に通電しないよう、ＬＥＤチップ１１は絶縁性接着剤を用いて基板１２上に接着固定される。ただし、電極の一方が素子の下面に配置されるタイプのＬＥＤチップにおいてはこの限りでなく、銀ペースト等の導電性接着剤によって基板１２上に接着固定される。
【００２７】
ＬＥＤチップ１１上の図示しない電極と、基板１２上の図示しない配線パターンとは、ワイヤ１３によって電気的に接続される。これにより、配線パターンに通電することにより、ＬＥＤチップ１１を発光させることができる。
【００２８】
基板１２の上には、ＬＥＤチップ１１の周囲を囲むようにケース１４が設けられる。ケース１４の内側の側壁部は、ＬＥＤチップ１１からの発光光を反射するよう構成されており、これにより、ＬＥＤチップ１１から横方向へ出射する発光光の進路を上方向へ修正することができ、より多くの発光光を外部放射させることができる。
【００２９】
ケース１４の内側には封止樹脂１５が充填される。封止樹脂１５の充填より、ＬＥＤチップ１１等に直接外力が加わることを防ぎ、破断、断線等による発光装置１の故障を防止する。
【００３０】
封止樹脂１５には、りん光材料１６が分散して混入される。りん光材料１６は、ＬＥＤチップ１１からの発光光を吸収し、その発光光の波長とは異なる波長を有する光を発する。これにより発光装置１は、ＬＥＤチップ１１の発光光とは異なる色の光を発することができる。
【００３１】
なお、上記第１の実施に形態においては、りん光材料１６を封止樹脂１５に分散させているが、これに限定されるものではなく、りん光材料１６を封止樹脂１５中に分散させずに封止樹脂１５の表面に層状に設けるものであっても、或いはＬＥＤチップ１１の発光面表面に薄膜状にコーティングしたものであってもよい。
【００３２】
また、封止樹脂１５に分散させるりん光材料１６の量を変化させることにより、発光装置１の発する発光光の色を変化させることもできる。りん光材料１６の量が多い場合には、ＬＥＤチップ１１からの発光光のほとんど全てがりん光材料に吸収されるので、外部に放出される光はりん光材料１６からのりん光のみとなる。そのため、発光装置１の発する発光光の色はりん光に基づく単色光となる。
【００３３】
一方、りん光材料１６の量がそれほど多くない場合には、ＬＥＤチップ１１からの発光光の一部のみがりん光材料に吸収され、残りはそのまま外部へ放出されるので、外部に放出される光はＬＥＤチップ１１からの発光光とりん光材料１６からのりん光の複合光となる。そのため、発光装置１の発する発光光の色は、発光光とりん光の割合に応じて異なる。
【００３４】
［第２の実施の形態］
図２は、本発明に係る発光装置についての、第２の実施の形態の構成を示す図である。図２においては、発光装置１は、ＬＥＤチップ１１と、ワイヤ１３と、封止樹脂１５と、りん光材料１６と、コーティング樹脂１７と、リード部１８Ａ及び１８Ｂとからなる。
【００３５】
リード部１８Ａの上面には、凹形状のカップ部１８０が設けられており、その底部である素子搭載面１８１上にＬＥＤチップ１１が搭載されている。リード部１８Ａ及び１８Ｂは銅合金等の導電性材料により構成されているので、ＬＥＤチップ１１とリード部１８Ａとが直接に通電しないよう、ＬＥＤチップ１１は絶縁性接着剤を用いて素子搭載面１８１上に接着固定される。ただし、電極の一方が素子の下面に配置されるタイプのＬＥＤチップにおいてはこの限りでなく、銀ペースト等の導電性接着剤によってリード部１８Ａに接着固定される。
【００３６】
ＬＥＤチップ１１の上面には、図示しない電極が設けられており、この電極とリード部１８Ａ及び１８Ｂとは、ワイヤ１３によって電気的に接続される。これにより、リード部１８Ａ及び１８Ｂに通電することにより、ＬＥＤチップ１１を発光させることができる。
【００３７】
また、カップ部１８０の側壁部は、ＬＥＤチップ１１からの発光光を反射するように反射面が形成されており、これにより、ＬＥＤチップ１１から横方向へ出射する発光光の進路を上方向へ修正することができ、より多くの発光光を外部放射させることができる。
【００３８】
カップ部１８０はコーティング樹脂１７によって充填される。コーティング樹脂１７の充填より、ＬＥＤチップ１１等に直接外力が加わることを防ぎ、破断やワイヤ１３の断線等による発光装置１の故障を防止する。
【００３９】
コーティング樹脂１７には、りん光材料１６を分散状に混合されている。りん光材料１６は、ＬＥＤチップ１１からの発光光を吸収し、その発光光の波長とは異なる波長を有する光を発する。これにより発光装置１は、ＬＥＤチップ１１の発光光とは異なる色の光を発することができる。
【００４０】
ＬＥＤチップ１１を封止されたリード部１３Ａ及び１３Ｂは、上方が半球状の光学形状面１５Ａからなる封止樹脂１５によって封止される。これは、ＬＥＤチップ１１を封止されたリード部１３Ａ及び１３Ｂを、光学形状面１５Ａに応じた形状を有する型に挿入し、型内にエポキシ樹脂等の封止樹脂１５を構成する材料を注入した後に熱硬化させることにより得られる。
【００４１】
封止樹脂１５により、ＬＥＤチップ１１を封止されたリード部１３Ａ及び１３Ｂとワイヤ１３は、それぞれ固定されると共に外力から保護される。また、封止樹脂１５はその上部が半球状の光学形状面１５Ａからなるが、これにより、コーティング樹脂１７の上面から拡散される光の光軸が、封止樹脂１５から外部へ放たれる際にその界面における法線にほぼ一致するので、当該界面において屈折することなく光を出射することができる。
【００４２】
このような構成においても、コーティング樹脂１７に混合されたりん光材料１６が、ＬＥＤチップ１１からの発光光を吸収し、その発光光の波長とは異なる波長を有する光を発することにより、発光装置１は、ＬＥＤチップ１１の発光光とは異なる色の光を発することができる。
【００４３】
なお、上記第２の実施に形態においては、りん光材料１６はコーティング樹脂１７に分散されているが、本発明はこれに限定されるものではなく、りん光材料１６をコーティング樹脂１７中に分散させるのではなく、封止樹脂１５に分散させるものや、コーティング樹脂１７の表面に層状に設けるもの、または光学形状面１５Ａの表面に薄膜状にコーティングしたものであってもよい。或いは、ＬＥＤチップ１１の発光面表面に薄膜状にコーティングしたものであってもよい。
【００４４】
また、本実施の形態においても、上述の第１の実施の形態と同様に、コーティング樹脂１７、或いは封止樹脂１５に分散されるりん光材料１６の量を変化させることにより、発光装置１の発する発光光の色を変化させることもできる。
【００４５】
（りん光のメカニズム）
図３は、第１の実施の形態並びに第２の実施の形態における、りん光が発生する仕組みを示す模式図である。図３（ａ）は、基底状態（左側）、励起一重項状態（中央）、励起三重項状態（右側）のそれぞれの状態における電子配置を示している。
【００４６】
通常、分子中においては、各原子の電子軌道には１対の電子によって満たされている（基底状態）。このとき、１対の電子はそれぞれ異なるスピン方向を有するものからなる。
【００４７】
この分子に、光エネルギー等のエネルギーが外部から加えられると、そのエネルギーにより分子中の電子のポテンシャルエネルギーが上がり、よりエネルギー準位の高い電子軌道へと遷移する。このとき、遷移した電子のスピン方向は基底状態における場合から変化しない（励起一重項状態）。
【００４８】
この励起一重項状態において、遷移した電子は、そのスピン方向を反転させることがある。これを項間交差といい、この反転後の状態を、励起三重項状態という。
【００４９】
図３（ｂ）は、上述の基底状態、励起一重項状態、励起三重項状態の、それぞれにおけるポテンシャルエネルギーの高さを比較する図である。エネルギーの高い順に、励起一重項状態、励起三重項状態、基底状態となる。
【００５０】
基底状態において、電子が光エネルギーを吸収すると、ポテンシャルエネルギーが上昇し、励起一重項状態へと遷移する。励起一重項状態は不安定な状態であるので、この状態を維持することはできず、エネルギーを放出して、よりエネルギー準位の低い状態へと移行することになるが、このとき励起一重項状態よりもエネルギー準位の低い状態には、基底状態と励起三重項状態の２つがあるので、そのいずれかに移行し得ることとなる。
【００５１】
また、励起三重項状態も不安定な状態であるので、エネルギーを放出してよりエネルギー準位の低い状態へ移行することになる。このとき励起三重項状態よりもエネルギー準位の低い状態は、基底状態のみであるので、励起三重項状態からは全て基底状態へと遷移する。
【００５２】
上述のように、励起一重項状態からエネルギーの低い状態へ移行する際には、基底状態と励起三重項状態の２つの状態に移行し得るのであるが、その割合は、４分の１程度が基底状態へ直接移行し、残りの４分の３程度は励起三重項状態へと移行する。
【００５３】
励起一重項状態から基底状態へ直接移行する場合に放出されるエネルギーは、光エネルギーとして放出される（蛍光）。
【００５４】
一方、励起三重項から基底状態へ移行する際に放出されるエネルギーは、その分子の性質により異なる。ある分子は光エネルギーとして放出し、またある分子は熱エネルギーとして放出する。この励起三重項から基底状態へ移行する際に放出されるエネルギーを光エネルギーとして放出する現象が、りん光である。
【００５５】
従って、蛍光を発するがりん光を発することのできない物質（これが蛍光材料にあたる）は、吸収したエネルギーのうち２５％程度を蛍光として放出することができるが、残りの７５％程度は励起三重項状態を経て熱エネルギーとして放出することになる。
【００５６】
一方のりん光を発することのできる物質（これがりん光材料にあたる）は、吸収したエネルギーのうち２５％程度を蛍光として放出し、残りの７５％程度はりん光として放出することができる。
【００５７】
つまり、りん光材料は、蛍光材料と比較して遥かに高い発光効率を有することとなる。
【００５８】
従って、りん光を発する物質を、発光装置の封止樹脂中に分散させることにより、蛍光物質を使用するよりも効率よく発光させることができる。
【００５９】
りん光を発する材料の一例としては、緑色変換Ｉｒ金属錯体としてトリス（２−フェニルピリジン）イリジウム（以下、Ｉｒ（ｐｐｙ）３と略す）等の金属錯体が挙げられる。Ｉｒ（ｐｐｙ）３の構造式は次の通りである。
【００６０】
【化１】
2006245033.tif 000003
【００６１】
また、赤色変換Ｉｒ金属錯体として、（ＢＴＰ）２Ｉｒ（ＡＣＡＣ）等の金属錯体が挙げられる。この赤色変換Ｉｒ金属錯体の構造式は次の通りである。
【００６２】
【化２】
2006245033.tif 000004
【００６３】
また、青色変換Ｉｒ金属錯体として、Ｆ（Ｉｒ）ｐｉｃ等の金属錯体が挙げられる。この青色変換Ｉｒ金属錯体の構造式は次の通りである。
【００６４】
【化３】
2006245033.tif 000005
【実施例１】
【００６５】
第１の実施例として、ＬＥＤチップには４６０ｎｍを主波長とする青色ＬＥＤを用い、りん光材料として、緑色変換Ｉｒ（ｐｐｙ）３と、上記した赤色変換Ｉｒ金属錯体とを用い、ＬＥＤチップを封止するシリコン樹脂中にこれらのりん光材料を分散させて、発光装置を作製した。
【００６６】
得られた発光装置につき、１０ｍＡの電流値で発光させたところ、光度２０００ｍｃｄ、色度ｘ＝０．３１の、演色性のよい白色光が得られた。
【００６７】
第２の実施例として、ＬＥＤチップには４６０ｎｍを主波長とする青色ＬＥＤを用い、りん光材料として、緑色変換Ｉｒ（ｐｐｙ）３を用い、ＬＥＤチップを封止するシリコン樹脂中にこのりん光材料を分散させて、発光装置を作製した。
【００６８】
得られた発光装置につき、１０ｍＡの電流値で発光させたところ、５５０ｎｍを主波長とする光度１０００ｍｃｄの緑色光が得られた。
【００６９】
第３の実施例として、ＬＥＤチップには３７０ｎｍを主波長とする青紫色ＬＥＤを用い、りん光材料として、緑色変換Ｉｒ（ｐｐｙ）３、上記した青色変換Ｉｒ金属錯体、上記した赤色変換Ｉｒ金属錯体の、３つのＩｒ金属錯体を用い、ＬＥＤチップを封止するシリコン樹脂中にこれらのりん光材料を分散させて、発光装置を作製した。
【００７０】
得られた発光装置につき、１０ｍＡの電流値で発光させたところ、光度２０００ｍｃｄ、色度ｘ＝０．３１の、演色性のよい白色光が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る発光装置の第１の実施の形態における構成を示す図である。
【図２】本発明に係る発光装置の第２の実施の形態における構成を示す図である。
【図３】本発明に係る発光装置で用いられるりん光の発生メカニズムを示す図である。
【図４】従来技術の発光装置で用いられる蛍光の発生メカニズムを示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
１…発光装置、１１…ＬＥＤチップ、１２…基板、１３…ワイヤ、１４…ケース、１５…封止樹脂、１５Ａ…光学形状面、１６…りん光材料、１７…コーティング樹脂、１８Ａ、１８Ｂ…リード部、１８０…カップ部、１８１…素子搭載面
【図１】
2006245033.tif 000006
【図２】
2006245033.tif 000007
【図３】
2006245033.tif 000008
【図４】
2006245033.tif 000009